廣州市自來水公司
章詩芳

　　聚丙烯酰胺（Polyacryamide,簡稱PAM，結構通式為：）是丙烯酰胺均聚物或與其他單體共聚而得線形聚合物的統稱。具有良好 的熱穩定性。由于結構單元中含有極性基團——酰胺基，易形成氫鍵，使其具有良好的水溶性和很高的化學活性，易通過接枝、交聯得到支連或網狀結構的多種改性物。從而使聚丙烯酰按具有一系列衍生物和多種寶貴性能，在水處理方面具有重要意義，是有機高分子中應用最廣泛的凈水處理絮凝劑。

　　一、聚丙烯酰胺的工藝、產品介紹：

　　聚丙烯酰胺是早是1893年由moureu用丙烯酰氯與氨在低溫下反應制得；1954年首先在美國實現商業化生產。最初，丙烯酰胺（AM）單體是由丙烯腈（AN）經硫酸催化水合而得，通過丙烯酰胺均聚制得非離子型聚丙烯酰胺（PAM），隨后開發了用堿部分水解的陰離子型聚丙烯酰胺。70年代隨著丙烯酰胺生產的第二代“催化水合法”和第三代“微生物工程法”工藝技術的相繼問世，聚丙烯酰胺的系列產品不斷地被開發。如70年代中，美國Merck公司和Halliburton公司首先研制成功了陽離子聚丙烯酰胺——二甲基二丙基氯化銨（PDMDAAC）和二甲基二丙基氯化銨與丙烯酰胺的共聚物[P（DMDAAC/AM）]；90年代國外對兩性聚丙烯酰胺的研究、開發較為活躍，已有產品問世。
　　我國對聚現烯酰胺的研究和生產始于60年代，生產工藝主要采用傳統的水溶液聚合法——膠體采8——10%AM水溶液，在引發劑作用下直接聚合而成，干粉采用20——30%AM水溶液進行中濃度聚合，聚合后的膠體經過造粒、捏合、干燥、粉碎后制得聚丙烯酰胺，比工藝較為安全、簡單、成本低。反向乳液聚合法——AM水溶液借助表面活性劑的作用AM單體分解在油相中形成乳化體系，在引發劑作用下進行乳液聚合，形成穩定的高分子量速溶的聚丙烯酰胺膠乳產品，經共沸蒸餾脫水后即可得到粉狀聚丙烯產品，此工藝適合于制備高分子量且分子量分布窄的聚丙烯酰胺膠乳或干粉型產品。還有反相懸浮聚合法——AM水溶液以小液珠懸浮在有機溶液中進行的聚合反應，制得分子量高、速溶的聚丙烯酰胺珠狀物。幅射引發法——現煅酰胺單體在紫外線或R射線下引發直接聚合而得固體產品，該法工藝簡單，但投資較大，所得產品分子量分布很寬。聚丙烯酰胺的大多數應用都需要某種離子功能。離子的特性可以改變聚丙烯酰胺的溶解性、黏度、溶液的性質。商品衍生物的制造是用共聚法或利用聚丙烯酰胺的后繼反應制得。
　　到目前為止，已生產出非離子型聚丙烯酰胺、陽離子型聚丙烯酰、兩性高分子量聚丙烯酰胺、及其衍生物等。其分子量從幾十萬到一千萬以上，根據分子質量可分為低分子量（100萬以下）、中分子量（100萬--1000萬）、高分子量（1000萬----1500萬）、超分子量（1500萬以上）。商品形式主要有粉末、膠體、乳液；粉末質量較高，使用效果好，乳液容易溶解，使用成本相對高。

　　二、聚丙烯酰胺絮凝機理探討，溶解工藝及投加工藝的選擇。

　　50年代美國率先開發聚丙烯酰胺作凈水處理絮凝劑以來，其生產和應用發展迅速，60年代以來，歐美國家已普遍使用聚丙烯酰胺作凈水處理絮凝劑。國內60年代起，在長江、黃河流域的飲用水廠廣泛應用聚丙烯酰胺于高濁水的凈化處理，和城市污水和工業廢水處理；90年代起某些水源受污染較嚴重的飲用水廠，開始使用聚丙烯酰胺作凈水處理助凝劑。
　　聚丙烯酰胺是應用最多的人工合成絮凝劑。其分子鏈很長，它的酰胺基（---CONH₂）可與許多物質親和、吸附形成氫鍵，這就使它能在吸附的粒子之間架橋，使數個甚至數十個粒子連接在一起，生成絮團，加速粒子孫下沉，使它成為最理想的絮凝劑。曾有試驗在部分水解的聚丙烯酰胺溶液中加入氧化鋁的水合物進，聚合的陰離子吸附在氧化鋁的陽離子上，黏度就迅速地增加或膠弟化。這同一般絮凝機理類似即一個分子能同時吸附幾個粒子，使它們拉在一起，迅速沉降，沉降的速率取決于絮凝劑的濃度和懸浮固體的濃度。經過凈水專家多年的水處理應用研究，普遍認為聚丙烯酰胺的絮凝要理是：（1）由于其具有極性基因—酰胺基，易于借其氫健的作用在泥沙顆粒表面吸附；（2）因其有很長的分子鏈，大數量級的長鏈在水中有巨大的吸附表面積，故絮凝作用好，能利用長鏈在顆粒之間架橋，形成大顆粒的絮凝體，加速沉降。（3）借助于聚丙烯酰胺的絮凝——助凝，在凈水處理的泥凝過程中可能發生雙電離壓縮，使顆粒聚集穩定性降低，在分子引力作用下顆粒結合起來，分散相的簡單陰離子可以被聚合物陰離子基團所取代；（4）高分子和天然水組成中的物質和水中懸浮物，或在它之前投加的水解混凝劑的離子之間發生化學相互作用，可能是絡合反應；（5）由于分子鏈固定在不同顆粒的表面上，各個固相顆粒之間形成聚合橋。
　　聚丙烯酰胺是一種化學性質比較活潑的高分子化合物。由于分子側鏈上酰氨基的活性，使聚合物獲得了許多寶貴的性能。非離子型PAM類絮凝劑由于不帶離子型官能團，因此與陰離子型PAM類絮凝劑相比具有以下特點：絮凝性能受水PH值和鹽類波動的影響小；在中型或堿性條件下，其絮凝效果（沉降速度）不如陰離子型，但在酸性的條件下卻優于陰離子型，絮體強度比陰離子型高分子絮凝劑的強。
　　陰離子型PAM類絮凝劑的分子量通常比陰離子型或非離子型的聚合物低，其澄清性能主要是通過電荷中和作用而獲得。這類絮凝劑的功能主要是絮凝帶負電荷的膠體，具有除濁、脫色等功能，適用于有機膠體含量高的水處理。

　　三、溶解工藝及投加工藝的選擇。

　　聚丙烯酰胺在使用前均需將固體配制成0.1--0.5%備用溶液，投加時可再行稀釋或水力輸送，0.5%的備用溶液儲存期為七天，0.05%的投加溶液儲存期為三天。配制溶液時要注意如下事項：（1）溶解溫度。聚丙烯酰胺的溶解需要有一定的溫度，以加快溶解速度。但溫度過高，又會使高聚物的分子鏈斷裂，降低使用效果，較適宜的溶解溫度為50---60℃。（20攪拌條件。聚丙烯酰胺的溶解應避免過強的剪切力攪拌，過強的攪拌會使分子鏈斷裂，從而降低使用效果。攪拌宜采用低速漿葉，如錨式、框式、多層漿式等。攪拌速度 為60轉/分左右。輸送時亦應避免采用高速離心泵，較適宜采用活塞泵或隔膜泵。（3）均勻分散投料。聚丙烯酰胺溶解的關鍵環節，是投料的均勻分散。一般先將水溶液加熱調節至50——60℃。開動攪拌機后，最好采用機械震動篩網投料（篩網目數為10目），晝避免產生“大團塊狀”、“魚眼狀”難溶顆粒，從而使聚丙酰胺得到充分溶解，發揮好使用效果。（4）避免與鐵接解。在溶解攪拌及輸送投加系統中，最好采用塑料、搪瓷、鋁、不銹鋼等材質。
　　聚丙烯酰胺的投加點選擇，對使用效果影響較大。有資料介紹，在處理高濁水時，應先投加聚丙烯酰胺，經充分混合后，再投加混凝劑。也有介紹在投加混劑前投加聚丙烯酰胺，會導致對溶膠的保護。國外資料介紹，在水中懸浮物含量超過50mg/L的季節里，聚丙烯酰胺和其他陰離子高分子絮凝劑在一級處理構筑物之前投加較合適，當懸浮物含量較少時，在濾池之前投加較合適，為了使混凝懸浮物來得及形成細小絮狀物，不發生顆粒數量濃度的實際減少（由于聚集）和混凝懸浮物表面性質的惡化，選擇向水中投加混凝劑和絮凝劑的時間間隔，一般在1——4分鐘之間。水的溫度和濁度越低、水的色度越高，則混凝劑和絮凝劑投入的時間間隔應當越長，還應當考慮到水的消毒情況，如果聚丙煅酰胺在加氯前投加，水的消毒程度可能降低，可能會惡化陽離子高分子絮凝劑的工藝性質，因為預加氯可能使陽離子高分子對生物對象消毒過程產生屏蔽作用，和高分子在氧化劑作用下被破壞。
　　聚丙烯酰胺投加時攪拌條件對絮凝效果影響較大要助凝效果最好應為在反應池前部——初級絨絮形成時投加為好。
關于聚丙烯酰胺的投加量，要根據不同的水源水質和凈水工藝特點，通過實驗來確定。國外有關資料介紹，高分子絮凝劑絮凝過程可存在以下規律：（1）當高分子絮凝劑投量保證覆蓋可容覆蓋的因體顆粒表面部位時，可達到最佳條件；（2）顆粒表面被聚合物分子過飽和，就會導致絮凝惡化，因為在這種情況下高分子的自由末端也可以吸附在同一表面上，形成彎曲狀，相領顆粒間的架橋結合數因而減少；93）當強烈的攪拌到能夠破壞聚合物的結合時，就會發生已絮凝顆粒的散開，如果高分子絮凝劑劑投量少于最佳投量，則架橋鍵的更弱；（4）聚合物最佳投量和分散相顆粒表面上容許吸附的面積之間存在線性關系。南方某水廠認為，對于其污染比較嚴重、污染物品種繁多、PH值和堿度較低的原水而言，非離子型聚丙烯酰胺相對比較適合其的絮凝，陰離子型聚丙烯酰胺略微遜色，陽離子型聚丙烯酰胺則效果較差。根據絮凝理論推斷，可能是污染嚴重的枯水期原水濁度比較低，水體中可供架橋的顆粒比較少，先投加液氯消毒，后投加絮凝劑，對陽離子型絮凝劑的結構可能有破壞作用，已投加混凝劑和消毒劑的水體，PH值一般不高于7.0，水體電荷傾向不明顯，陰、陽離子型的聚丙烯酰胺表現不出優勢。

　　四、丙烯酰胺應用于生活飲用水的凈化處理

　　聚丙烯酰胺在某公司供水生產已使用多年，對提高絮凝效果、節約礬耗、去除藻類、降低致突變性、提高水質、應付突發水質事故等方面取得明顯的效果。
　　1、提高絮凝效果，克服枯水期絮體上浮，節約礬耗，降低凈水成本。低溫低濁，相對水中渾濁度成分中，有機物占的比例更大，單投加硫酸鋁和聚合鋁，形成的絮凝體結構松散、輕飄，難以沉淀。投加聚丙烯酰胺0.025--0.05mg/L助凝后，由于其巨大的吸附表面積和優良的架橋能力，使反應生成的絮凝體體積增大，比重增加，沉降速度加快，沉淀池沉淀能力迅速提高，出水濁度大為降低。
　　投聚丙烯酰助凝后，5分鐘后出水剩余濁度僅為20NTU以下，同等時間內比無投加助凝劑的水樣出水剩余濁度除低20——30NTU。無投加助凝劑的水樣由于原水有機物污染嚴重，絮體輕浮，最終濁度無法降低，將其放置1小時其剩余濁工也無明顯減少。投加聚丙烯酰助凝提高了絮凝效果，能節約礬耗約25%，產水量不升約5——10%，成本節約約24%。
2、提高水質，去除色度，去除有機物，去除藻類，降低致突變性。由于聚丙烯酰胺助凝效果，出水濁度明顯下降，而有機物和藻類的含量與濁度有極為密切的關系，據專家認為，當濁度降低至0.5度時，水中有機物可去除80%，所以投加聚丙烯酰胺助凝能有效地去除有機污染，提高飲用水水質。色度去除率提高10%以上，除水有機物下降46%以上，藻類去除率上升16——26％。沉淀池出水致突變性下降，從強陽性變為陽性，證明出水濁度的降低，去除了相當部分有機物，因此改善了出水的致突變性。

　　五、聚丙烯酰胺應用于飲用水處理的安全性

　　聚丙烯酰胺本身基本無毒，因為它在進入人體后，絕大部分在短期內排出體外，很少被消化道吸收入。多數商品也不刺激皮膚，只有某些水解體可能有殘余堿，當反復、長期接觸時會有刺激性。美國食品及藥物管理局認為，PAM及其水解體是低毒或無毒的。PAM的毒性來自殘留的丙烯酰胺單體和生產過程 夾帶的有毒金屬。丙烯酰胺為神經性致毒劑，對神經系統有損傷作用，中毒后表性出肌體無力，運動失調等癥狀。因此各國衛生部門均有規定聚丙烯酰胺工業產品中殘留的丙烯酰胺含量，一般為0.5%---0.05%。應用于水的一般凈化處理時，丙烯酰胺含量0.2%以下，用于直接飲用水處理時，需在0.05%以下。國際健康衛生組織1985年出生的聚丙烯酰胺標準指出：PAM中殘留AM量控制在0.05%以下并控制用量時，處理后水中的含量將低于0.25ug/L，符合大多數國家的飲用水標準。目前歐美主要國家一般規定，飲用水處理及食品用PAM中殘留AM含量在0.05%以下，并控制PAM用量。
　　某些陽離子型聚丙烯酰胺的情況就復雜得多，這是因為陽離子型聚丙烯酰胺引入的氨基類等基團，其毒性往往數十至數百倍地高于陰離子型和非離子型，他們的慢性毒性正進一步研究中。
　　對應用于飲用水處理的絮凝聚，應使用食品級的產品為合適。在《給水排水標準規范實施手冊》水處理標準中，明確規定聚丙烯酰胺使用的非經常使用下<0.1mg/L，在經常使用下<0.1mg/L。在水處理工藝助凝應用中，其使用量可取上述標準值為最大投加量，選購食品級質優、低殘值的聚丙烯酰胺產品，則可保證飲用水的衛生安全。如某水廠使用聚丙烯酰胺助凝，最大投加量為0.09mg/L，使用的是化工部廣州聚丙烯酰胺工程中心的食品級、濾池出水和出廠自來水均無發現有丙烯酰胺單體。故認為僅要能控制好使用產品的質量和投加量，則采用聚丙烯酰胺助凝工藝，對飲用水衛生而言是安全的。
　　近期展望，我國應用聚丙烯酰胺類有機產品作水處理劑，將會隨水質性缺水的范圍擴大、國民對飲用水要求的提高而逐步擴大。如某供水公司97年與99年相比，用量已增約8倍，使用水廠從一家增加至6家。使用范圍有混凝、助凝、助濾。據介紹，在過濾前投加聚丙酰胺0.015---0.05mg/L可增濾周，提高產生能力10--16%，但在增加濾周時，水頭損失亦同時增加，反沖時間和強度亦要相應增加，但相比之下，投加聚丙烯酰胺助濾在經濟是合算的，投加聚丙烯酰胺助濾，可防止藻類穿透濾池，在突發事故處理時，可確保濾后水水質，國內已有供水水廠應用其助濾工藝，收到良好的效果。聚丙烯酰胺類有機產品在水處理工藝的使用中，其強化絮凝、提高濾池過濾能力、提高水質，增加水量、節約成本的優勢被越來越多的供水企業所樂意接受，聚丙烯酰胺在飲用水處理領域的應用正在不斷被研究開發，其前景是樂觀的。　

2000年9月19日